使用 sklearn 构建决策树并使用 Graphviz 绘制树结构

1. 概述

之前两篇文章，我们系统性的介绍了决策树的构建算法、构建流程、展示与决策：

决策树的构建 -- ID3 与 C4.5 算法决策树的构建、展示与决策

本文，我们来介绍如何使用 sklearn 构建决策树。

2. sklearn

之前我们已经介绍和使用过 python 的 sklearn 包： K 近邻算法 sklearn 也提供了决策树明星，用于解决分类和回归问题。 http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.tree.DecisionTreeClassifier.html。

3. sklearn.tree.DecisionTreeClassifier 构造参数

sklearn.tree.DecisionTreeClassifier 类就是我们需要的决策树类，它具有如下构造参数：

sklearn.tree.DecisionTreeClassifier 类构造参数

3.1. max_features 参数取值

max_features 参数指节点分裂时参与判断的最大特征数，可以的取值有：

int — 特征个数
float — 占所有特征的百分比
‘auto’ — 特征总数的开方
‘sqrt’ — 特征总数的开方
‘log2’ — 特征总数的 log2
None — 特征总数

3.2. class_weight 参数取值

指定样本各类别的的权重。可选参数有：

None — 所有样本类别权重均为 1
dict — 对应单条输出结果，每个样本类别的权重：{0: 1, 1: 5}
字典的 list — 对应多条输出结果： [{0: 1, 1: 1}, {0: 1, 1: 5}, {0: 1, 1: 1}, {0: 1, 1: 1}]
‘balanced’ — sklearn 按照样本量自动计算权重：样本数/(类别数 * np.bincount(y))

3.3. 参数优化

模型的构建参数可以从以下条件考虑优化：

splitter — 特征划分点选择标准，样本量大时，使用 best 会导致训练时间过长，推荐 random
max_depth — 决策树的最大深度，样本量大时，推荐限制最大深度取 10 到 100 之间
min_weight_fraction_leaf — 叶子节点最小的样本总权重，如果我们有较多样本有缺失值，或者分类树样本的分布类别偏差很大，需要调整叶子节点的样本权重
max_leaf_nodes — 最大叶子节点数，设定这个参数可以防止过拟合，如果特征分成多的话，可以加以限制，具体的值可以通过交叉验证得到
class_weight — 指定样本各类别的的权重，主要是为了防止训练集某些类别的样本过多，导致训练的决策树过于偏向这些类别
presort — 样本量大的时候设置为 True 会降低执行效率，推荐置为 False

4. sklearn.tree.DecisionTreeClassifier 的属性

sklearn.tree.DecisionTreeClassifier 具有以下成员属性。

sklearn.tree.DecisionTreeClassifier 的成员属性

属性名	类型	说明
classes_	array 或 array 的 list	对于单条输出为 array，结果类别数组
featureimportances	array	特征重要性
maxfeatures	int	用于推断的最大特征数
nclasses	int 或 list	对于单挑输出为 int，结果类别数
nfeatures	int	训练完成后赋值，特征数
noutputs	int	训练完成后赋值，输出结果数
tree_	对象	训练生成的决策树
featureimportances	ndarray	特征相关度

5. sklearn.tree.DecisionTreeClassifier 成员函数

apply(X[, check_input]) — 返回样本在叶子节点中的索引，check_input 为 False 则绕过所有参数检测
decision_path(X[, check_input]) — 返回样本的决策路径
fit(X, y[, sample_weight, check_input, …]) — 训练样本
get_params([deep=True]) — 获取全部参数，deep 为 True 则包含子对象
predict(X[, check_input]) — 预测 X 所属分类
predict_log_proba(X) — 预测 X 所属分类的对数几率
predict_proba(X[, check_input=True]) — 预测 X 属于所有分类的可能性，check_input 为 False 则绕过所有参数检测
score(X, y[, sample_weight]) — 为模型打分，可以通过 sample_weight 参数指定样本权重
set_params(**params) — 设置所有参数

6. 用 sklearn 解决高尔夫预测问题

还是回到我们上一篇文章中的根据天气预测是否打高尔夫球的问题：

代码语言：javascript复制

# -*- coding: UTF-8 -*-
# {{{
import numpy
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

def createDataSet():
    """
    创建数据集

    :return: 数据集与特征集
    """
    dataSet = [['hot', 'sunny', 'high', 'false', 'no'],
               ['hot', 'sunny', 'high', 'true', 'no'],
               ['hot', 'overcast', 'high', 'false', 'yes'],
               ['cool', 'rain', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['cool', 'overcast', 'normal', 'true', 'yes'],
               ['mild', 'sunny', 'high', 'false', 'no'],
               ['cool', 'sunny', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['mild', 'rain', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['mild', 'sunny', 'normal', 'true', 'yes'],
               ['mild', 'overcast', 'high', 'true', 'yes'],
               ['hot', 'overcast', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['mild', 'sunny', 'high', 'true', 'no'],
               ['cool', 'sunny', 'normal', 'true', 'no'],
               ['mild', 'sunny', 'high', 'false', 'yes']]
    labels = ['日期', '气候', '天气', '气温', '寒冷']
    return dataSet, labels

if __name__ == '__main__':
    dataSet, labels = createDataSet()
    xList = list()
    yList = list()
    featureDict = dict()
    for dataList in dataSet:
        xTempList = list()
        for i in range(len(dataList) - 1):
            if type(dataList[i]).__name__ == 'str':
                if dataList[i] not in featureDict.get(i, list()):
                    if featureDict.get(i) is None:
                        featureDict[i] = list()
                    featureDict[i].append(dataList[i])
                xTempList.append(featureDict[i].index(dataList[i]))
            else:
                xTempList.append(dataList[i])
        xList.append(xTempList)
        if type(dataList[-1]).__name__ == 'str':
            if dataList[-1] not in featureDict.get(len(dataList) - 1, list()):
                if featureDict.get(len(dataList) - 1) is None:
                    featureDict[len(dataList) - 1] = list()
                featureDict.get(len(dataList) - 1, list()).append(dataList[-1])
            yList.append(featureDict[len(dataList) - 1].index(dataList[-1]))
        else:
            yList.append(dataList[-1])

    dt = DecisionTreeClassifier()
    dt.fit(numpy.array(xList), numpy.array(yList))

    xTest = [['hot', 'overcast', 'high', 'false'], ['mild', 'sunny', 'high', 'true']]
    xTestList = list()
    for featureValList in xTest:
        xTempList = list()
        for i in range(len(featureValList)):
            featureVal = featureValList[i]
            if type(featureVal).__name__ == 'str':
                if featureVal not in featureDict[i]:
                    print("测试数据异常："   featureVal)
                index = featureDict[i].index(featureVal)
                xTempList.append(index)
            else:
                xTempList.append(featureVal)
        xTestList.append(xTempList)
    result = dt.predict(xTestList)
    for i in result:
        print(featureDict[len(dataSet[0]) - 1][i])
# }}}

输出了：

代码语言：javascript复制

yes
no

7. 特征序列化 — sklearn.preprocessing.LabelEncoder

因为 sklearn 只能进行数值型运算，不能处理我们的字符串样本和结果，所以上面的代码中我们简单地进行了样本与数值的映射、存储和转化的序列化过程。事实上，sklearn 也提供了序列化工具 — sklearn.preprocessing.LabelEncoder： http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.preprocessing.LabelEncoder.html。可以方便的对结果进行转化：

代码语言：javascript复制

>>> from sklearn import preprocessing
>>> le = preprocessing.LabelEncoder()
>>> le.fit(["paris", "paris", "tokyo", "amsterdam"])
LabelEncoder()
>>> list(le.classes_)
['amsterdam', 'paris', 'tokyo']
>>> le.transform(["tokyo", "tokyo", "paris"]) 
array([2, 2, 1]...)
>>> list(le.inverse_transform([2, 2, 1]))
['tokyo', 'tokyo', 'paris']

7.1. 实例

下面，我们基于 sklearn.preprocessing.LabelEncoder 来对样本进行序列化工作：

代码语言：javascript复制

# -*- coding: UTF-8 -*-
# {{{
import pandas
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

def createDataSet():
    """
    创建数据集

    :return: 数据集与特征集
    """
    dataSet = [['hot', 'sunny', 'high', 'false', 'no'],
               ['hot', 'sunny', 'high', 'true', 'no'],
               ['hot', 'overcast', 'high', 'false', 'yes'],
               ['cool', 'rain', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['cool', 'overcast', 'normal', 'true', 'yes'],
               ['mild', 'sunny', 'high', 'false', 'no'],
               ['cool', 'sunny', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['mild', 'rain', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['mild', 'sunny', 'normal', 'true', 'yes'],
               ['mild', 'overcast', 'high', 'true', 'yes'],
               ['hot', 'overcast', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['mild', 'sunny', 'high', 'true', 'no'],
               ['cool', 'sunny', 'normal', 'true', 'no'],
               ['mild', 'sunny', 'high', 'false', 'yes']]
    labels = ['气候', '天气', '气温', '寒冷']
    return dataSet, labels

if __name__ == '__main__':
    dataSet, labels = createDataSet()
    yDataList = []
    for each in dataSet:
        yDataList.append(each[-1])

    dataDict = {}
    for each_label in labels:
        tempList = list()
        for each in dataSet:
            tempList.append(each[labels.index(each_label)])
        dataDict[each_label] = tempList

    dataPD = pandas.DataFrame(dataDict)

    leDict = dict()
    for col in dataPD.columns:
        leDict[col] = LabelEncoder()
        dataPD[col] = leDict[col].fit_transform(dataPD[col])

    dt = DecisionTreeClassifier()
    dt.fit(dataPD.values.tolist(), yDataList)

    xTest = [['hot', 'overcast', 'high', 'false'], ['mild', 'sunny', 'high', 'true']]
    testDict = {}
    for each_label in labels:
        tempList = list()
        for each in xTest:
            tempList.append(each[labels.index(each_label)])
        testDict[each_label] = tempList
    testPD = pandas.DataFrame(testDict)  # 生成pandas.DataFrame
    for col in testPD.columns:  # 为每一列序列化
        testPD[col] = leDict[col].transform(testPD[col])

    result = dt.predict(testPD.values.tolist())
    print(result)
# }}}

8. 绘制树结构 — Graphviz

决策树最大的优点是我们可以查看最终的树结构，上一篇日志中，我们通过 matplotlib 展示了我们自己的树结构。但是 matplotlib 绘制树结构较为复杂，我们这里来了解一个更为易用的绘图工具 — Graphviz。 Graphviz 不能通过 pip 直接安装，需要我们手动在官网下载并安装： https://graphviz.gitlab.io/about/

安装完成以后，需要在环境变量 Graphviz 的 bin 路径。然后，我们需要安装 pydotplus，你也可以选择安装 pydot，这里我们以 pydotplus 为例，使用 pydot 可以在网上找到示例代码。

代码语言：javascript复制

pip install pydotplus

然后我们编写代码：

代码语言：javascript复制

# -*- coding: utf-8 -*-
# {{{
from io import StringIO
import pandas
import pydotplus
from sklearn import tree
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

def createDataSet():
    """
    创建数据集

    :return: 数据集与特征集
    """
    dataSet = [['hot', 'sunny', 'high', 'false', 'no'],
               ['hot', 'sunny', 'high', 'true', 'no'],
               ['hot', 'overcast', 'high', 'false', 'yes'],
               ['cool', 'rain', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['cool', 'overcast', 'normal', 'true', 'yes'],
               ['mild', 'sunny', 'high', 'false', 'no'],
               ['cool', 'sunny', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['mild', 'rain', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['mild', 'sunny', 'normal', 'true', 'yes'],
               ['mild', 'overcast', 'high', 'true', 'yes'],
               ['hot', 'overcast', 'normal', 'false', 'yes'],
               ['mild', 'sunny', 'high', 'true', 'no'],
               ['cool', 'sunny', 'normal', 'true', 'no'],
               ['mild', 'sunny', 'high', 'false', 'yes']]
    labels = ['climate', 'weather', 'temple', 'cold']
    return dataSet, labels

if __name__ == '__main__':
    dataSet, labels = createDataSet()
    yDataList = []  # 提取每组数据的类别，保存在列表里
    for each in dataSet:
        yDataList.append(each[-1])

    dataDict = {}
    for each_label in labels:
        tempList = list()
        for each in dataSet:
            tempList.append(each[labels.index(each_label)])
        dataDict[each_label] = tempList

    dataPD = pandas.DataFrame(dataDict)

    leDict = dict()
    for col in dataPD.columns:
        leDict[col] = LabelEncoder()
        dataPD[col] = leDict[col].fit_transform(dataPD[col])

    dt = DecisionTreeClassifier()
    dt.fit(dataPD.values.tolist(), yDataList)

    dot_data = StringIO()
    tree.export_graphviz(dt, out_file=dot_data,  # 绘制决策树
                         feature_names=dataPD.keys(),
                         class_names=dt.classes_,
                         filled=True, rounded=True,
                         special_characters=True)
    graph = pydotplus.graph_from_dot_data(dot_data.getvalue())
    graph.progs = {'dot': u"C:\Program Files (x86)\Graphviz2.38\bin\dot.exe"}
    graph.write_pdf("tree.pdf")

    xTest = [['hot', 'overcast', 'high', 'false'], ['mild', 'sunny', 'high', 'true']]
    testDict = {}
    for each_label in labels:
        tempList = list()
        for each in xTest:
            tempList.append(each[labels.index(each_label)])
        testDict[each_label] = tempList
    testPD = pandas.DataFrame(testDict)  # 生成pandas.DataFrame
    for col in testPD.columns:  # 为每一列序列化
        testPD[col] = leDict[col].transform(testPD[col])

    result = dt.predict(testPD.values.tolist())
    print(result)
#}}}

保存图片的部分其实只需要下面几行：

代码语言：javascript复制

dot_data = StringIO()
tree.export_graphviz(dt, out_file=dot_data,  # 绘制决策树
             feature_names=dataPD.keys(),
             class_names=dt.classes_,
             filled=True, rounded=True,
             special_characters=True)
graph = pydotplus.graph_from_dot_data(dot_data.getvalue())
graph.write_pdf("tree.pdf")

这样我们就以 PDF 格式保存了图片：

9. InvocationException: GraphViz’s executables not found

开始的时候，遇到了报错：

代码语言：javascript复制

InvocationException: GraphViz's executables not found

这个问题产生的原因是 pydotplus 没有找到 Graphviz 的执行路径，大部分原因是环境变量的设置问题，也有可能是先安装了 pydotplus 后安装了 Graphviz 造成的。有一个最简单的解决办法就是手动添加执行路径，正如上文代码中所写：

代码语言：javascript复制

graph.progs = {'dot': u"C:\Program Files (x86)\Graphviz2.38\bin\dot.exe"}

10. 参考资料

Peter Harrington 《机器学习实战》。 http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.tree.DecisionTreeClassifier.html。 http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.preprocessing.LabelEncoder.html。 https://graphviz.gitlab.io/_pages/Download/Download_windows.html。 https://qiita.com/wm5775/items/1062cc1e96726b153e28。 https://blog.csdn.net/c406495762/article/details/76262487。 https://blog.csdn.net/hujiameihuxu/article/details/79490150。 https://blog.csdn.net/liujingqiu/article/details/77340439。 https://blog.csdn.net/wuchangi/article/details/79589542。

决策树数据结构 html 文件存储 https

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